Efecto de sobrecargas hidráulicas en el rendimiento de humedales construidos para la depuración de aguas

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Texto completo

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TESINA D’ESPECIALITAT

Títol

Efecto de sobrecargas hidráulicas en el rendimiento de humedales

construidos para la depuración de aguas

Autor/a

Enrique de Azcoitia Toribio

Tutor/a

Joan Garcia Serrano

Departament

Enginyeria Hidràulica, Marítima i Ambiental

Intensificació

Enginyeria Sanitària i Ambiental

Data

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RESUMEN

El tratamiento de las aguas residuales es una actividad necesaria para llevar una vida en un ambiente higiénicamente adecuado y respetuoso con el medio ambiente. Este tratamiento suele llevarse a cabo en las grandes ciudades mediante los sistemas conocidos como convencionales, de gran coste tecnológico, energético, humano y económico.

En el caso de núcleos poblacionales de tamaño medio o pequeño y de los países en vías de desarrollo la implementación de dicha tecnología no es factible, ya sea porque no es rentable para la empresa concesionaria o porque el gobierno carece de dinero para ella. Es en esta casuística en la que es idónea la implementación de los sistemas naturales de depuración de aguas residuales. Estos sistemas se aprovechan de los procesos que la propia naturaleza pone a nuestra disposición para realizar el tratamiento de las aguas residuales, desarrollando al máximo todas sus ventajas y minimizando en la medida de lo posible sus inconvenientes.

Uno de los sistemas naturales de depuración de aguas residuales son los humedales construidos. La naturaleza estocástica de los procesos internos de los humedales es la causante de que éstos puedan verse como una caja negra, en tanto que somos incapaces de penetrar en ellos y ver de forma directa su funcionamiento.

Este estudio evalúa la capacidad de tratamiento de una planta experimental a escala que reproduce un sistema híbrido formado por un humedal de flujo subsuperficial vertical seguido de uno de flujo subsuperficial horizontal y uno de flujo superficial. El aspecto más relevante de esta tesina es la investigación de los efectos que determinadas sobrecargas hidráulicas de agua residual urbana real tienen sobre el funcionamiento de la planta experimental, buscando obtener conclusiones que ayuden a mejorar el diseño y la explotación de plantas a escala real.

Se ha trabajado con cargas hidráulicas de 200 l/día, 400 l/día y 500 l/día de forma continuada durante seis semanas con tal de evaluar el rendimiento de reducción de materia en suspensión, materia orgánica (DQO y DBO), nitrógeno, fósforo y azufre de la planta experimental y con el objetivo de buscar una relación entre el caudal de agua residual y la evolución de dicho rendimiento. La eficiencia de la planta experimental en la depuración de las aguas residuales tratadas ha estado dentro de los parámetros habituales de normalidad para las tres cargas hidráulicas estudiadas. Se han conseguido rendimientos hasta del 99 % en la eliminación de sólidos en suspensión, del 93 % en la reducción de DQO y de entre el 65 % y el 77 % para la DBO. En cuanto a la eliminación del nitrógeno la eficiencia ha sido cercana al 85 % a pesar de no haber logrado la desnitrificación esperada en el humedal de flujo subsuperficial horizontal. No se ha llegado a observar una correlación directa entre las eficiencias en el funcionamiento de la planta experimental y el volumen de las cargas hidráulicas empleadas, aunque sí ciertas tendencias.

Palabras clave: sistemas naturales, tratamiento de aguas residuales urbanas, humedales construidos, humedales artificiales, flujo subsuperficial horizontal, flujo subsuperficial vertical, flujo superficial, carga hidráulica, DQO, DBO, amoníaco, sólidos en suspensión.

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ABSTRACT

Wastewater treatment is a very important and needed activity for a healthy life in a proper hygienic and friendly environment. This treatment is usually carried out in major cities through systems known as conventional, which are high-cost technology, energetically and human and economically expensive.

In the case of small and medium-sized population centers and also in developing countries the implementation of conventional wastewater treatments is not profitable for the company in charge of this service and is often a source of economical problems. Is in this case where the implementation of the natural systems of wastewater treatment is appropiate. These systems take advantage of the processes that nature puts at our disposal for treating wastewater, developing its advantages and minimizing the possible drawbacks.

One of these natural systems suitable for wastewater treatment are constructed wetlands. The stochastic nature of the internal processes of wetlands is the cause that they can be seen as a black box, because we are unable to enter into them and see how they work.

This study evaluates the effectiveness of a pilot-scale plant in the wastewater treatment. This plant consists on an hybrid system made of a vertical subsurface flow constructed wetland followed by a horizontal subsurface flow constructed wetland and surface flow constructed wetland. The most important point of this thesis is the investigation of the real urban wastewater hydraulic overloads effects on the pilot-scale plant correct operation in order to improve the design parameters and the operation protocols of real full scale plants.

We have worked continuously with hydraulic loads of 200 l/day, 300 l/day and 500 l/day in order to evaluate the efficiency in the reduction of suspended solids, organic matter (COD and BOD), nitrogen, phosphorus and sulfur. The objective was to find a relationship between the wastewater flow and the pilot-scale plant removal efficiency. It was found that the performance of the sewage treatment was within the usual values of efficiency for the three hydraulic loads. The pilot-scale plant had achieved yields up to 99 % in the removal of suspended solids, 93 % in COD reduction and 65 % to 77 % in BOD. The nitrogen removal efficiency was around 85 % despite not having achieved the expected denitrification in the horizontal subsurface flow constructed wetland. A direct correlation between the efficiencies of the experimental plant and the hydraulic loading rate was not observed, although there were certain trends.

Keywords: natural systems, urban wastewater treatment, constructed wetlands, horizontal subsurface flow, vertical subsurface flow, surface flow, hydraulic load, COD, BOD, ammonia, suspended solids.

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ÍNDICE DE CONTENIDOS

1. INTRODUCCIÓN ... 13

2. OBJETIVOS ... 17

2.1. Objetivo principal ... 17

2.2. Objetivos específicos ... 17

2.3. Desarrollo del trabajo... 17

3. ESTADO DEL CONOCIMIENTO ... 19

3.1. Introducción a los sistemas naturales de depuración de aguas residuales ... 19

3.2. Sistemas de humedales ... 21

3.3. Humedales naturales ... 21

3.4. Humedales construidos ... 22

3.4.1. Sistemas de flujo libre o superficial ... 24

3.4.2. Sistemas de flujo subsuperficial ... 25

3.4.3. El papel de la vegetación ... 27

3.5. Efectos de los humedales en la calidad del agua ... 29

3.5.1. Temperatura, oxígeno disuelto y pH ... 29

3.5.2. Sólidos en suspensión ... 30

3.5.3. Materia orgánica. DBO y DQO ... 32

3.5.4. Nitrógeno ... 34

3.5.5. Fósforo ... 38

3.5.6. Azufre ... 39

3.6. Hidrología: la influencia de la carga hidráulica ... 40

3.6.1. Intermitencia en el sistema de alimentación de humedales verticales ... 41

3.7. Sistemas híbridos ... 42

4. MATERIALES Y MÉTODOS ... 45

4.1. Planta experimental ... 45

4.1.1. Descripción y características ... 45

4.2. Descripción del ensayo ... 49

4.3. Toma de muestras ... 50

4.4. Determinación de la temperatura ... 52

4.5. Determinación del pH ... 52

4.6. Determinación de la turbiedad mediante un nefelómetro ... 53

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4.8. Determinación de la conductividad eléctrica ... 55

4.9. Determinación de la concentración de oxígeno disuelto ... 56

4.10. Determinación colorimétrica del amoníaco. Método de solorzano ... 57

4.11. Determinación de la demanda química de oxígeno (DQO) ... 60

4.12. Determinación de la demanda bioquímica de oxígeno (DBO5). Método manométrico ... 63

4.13. Determinación de la materia en suspensión (MES). Análisis gravimétrico ... 65

4.14. Determinación del contenido de nitritos (NO2-), nitratos (NO3-), sulfatos (SO42-) y ortofosfatos (PO43-) mediante cromatografía de intercambio iónico ... 66

5. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ... 69

5.1. Materia en suspensión (MES) ... 69

5.2. Materia orgánica: DQO y DBO ... 74

5.3. Nitrógeno amoniacal (N-NH4) ... 79

5.4. Nitrógeno de los nitratos (N-NO-3) y nitritos (N-NO-2) ... 83

5.5. Fósforo del ortofosfato (P-PO42-) ... 87

5.6. Azufre de los sulfatos (S-SO42-) ... 88

6. CONCLUSIONES ... 91

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ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1. A partir del periodo comprendido entre la primera y la segunda revolución industrial se hace imposible esconder la basura generada por las personas detrás de las cortinas o debajo

de la alfombra. Grafiti de Banksy en Gran Bretaña. ... 13

Figura 2. Mapamundi en el que se representa el porcentaje de población con acceso a un sistema de saneamiento adecuado. OMS. ... 15

Figura 3. Sección transversal de un humedal de flujo libre (Garcia y Corzo, 2008). ... 24

Figura 4. Sección transversal de un humedal de flujo subsuperficial horizontal (Garcia y Corzo, 2008). ... 25

Figura 5. Sección transversal de un humedal de flujo subsuperficial vertical (Garcia y Corzo, 2008). ... 26

Figura 6. Dibujo esquemático del carrizo, Phragmites Australis (Garcia y Corzo, 2008). ... 27

Figura 7. Mecanismos de transmisión y almacenamiento de los sólidos en suspensión en los humedales de flujo superficial. TSS = sólidos en suspensión, TDS = sólidos disueltos (Kadlec y Knight, 1995). ... 30

Figura 8. Mecanismos de transmisión y almacenamiento del carbono en el ecosistema de un humedal. DC = carbono disuelto, PC = carbono en partículas, DIC = Carbono inorgánico disuelto, DOC = carbono orgánico disuelto, CH4 = metano, CO2 = dióxido de carbono. En el ciclo del carbono se incluye la biomasa tanto viva como muerta y los productos orgánicos de la descomposición (Kadlec y Knight, 1995). ... 33

Figura 9. Ciclo simplificado del nitrógeno de un humedal (Kadlec y Knight, 1995). ... 35

Figura 10. Mecanismos de transferencia y almacenamiento del fósforo en el ecosistema de un humedal. PO4 = ortofosfato, PP = fósforo en partículas, DP = fósforo disuelto, PH3 = fosfina (Kadlec y Knight, 1995). ... 38

Figura 11. Diagrama esquemático del procedimiento de llenado, inundación, vaciado y drenaje de un humedal vertical localizado en Baihua Park en Jinan, China (Wenlin et al., 2010). ... 42

Figura 12. Representación esquemática de un sistema híbrido de humedales, consistente en un humedal de flujo subsuperficial horizontal seguido de uno vertical, localizado en un resort hotelero de Florencia, Italia (Masi y Martinuzzi, 2006). ... 43

Figura 13. Vista en planta de la planta experimental. ... 45

Figura 14. Vista en alzado del tanque Imhoff. ... 46

Figura 15. Vista en alzado de uno de los humedales verticales. ... 46

Figura 16. Fotografía correspondiente a uno de los humedales verticales de la planta experimental en abril de 2011. Fuente: Cristina Ávila ... 47

Figura 17. Vista en alzado del humedal horizontal de flujo subsuperficial. ... 47

Figura 18. Fotografía correspondiente al humedal horizontal (izquierda) y al humedal de flujo superficial (derecha) en mayo de 2010, coincidiendo con la plantación del carrizo Phragmites australis. Fuente: Cristina Ávila ... 48

Figura 19. Vista en alzado del humedal de flujo superficial. ... 48

Figura 20. Esquema en planta de la planta experimental con sus correspondientes puntos de muestreo. ... 50

Figura 21. Evolución de las concentraciones de materia en suspensión correspondientes a cada punto de muestreo de la planta experimental para las tres cargas hidráulicas de estudio. ... 71

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Figura 22. Evolución de la turbiedad del ARU en los diferentes puntos de muestreo de la planta piloto para las tres cargas hidráulicas de estudio. ... 71 Figura 23. Evolución de las concentraciones de DBO correspondientes a cada punto de

muestreo de la planta experimental para las tres cargas hidráulicas de estudio. ... 75 Figura 24. Evolución de las concentraciones de DQO correspondientes a cada punto de

muestreo de la planta experimental para las tres cargas hidráulicas de estudio. ... 76 Figura 25. Evolución del potencial rédox del agua localizada en cada punto de muestreo de la planta experimental para las tres cargas hidráulicas de estudio. ... 76 Figura 26. Evolución de las concentraciones de nitrógeno amoniacal correspondientes a cada punto de muestreo de la planta experimental para las tres cargas hidráulicas de estudio. ... 80 Figura 27. Evolución de las concentraciones de oxígeno disuelto correspondientes a cada punto de muestreo de la planta experimental para las tres cargas hidráulicas de estudio. ... 81 Figura 28. Evolución de las concentraciones del nitrógeno de los nitratos correspondientes a cada punto de muestreo de la planta experimental para las tres cargas hidráulicas de estudio. ... 84 Figura 29. Evolución de las concentraciones del nitrógeno de los nitritos correspondientes a cada punto de muestreo de la planta experimental para las tres cargas hidráulicas de estudio. ... 84 Figura 30. Evolución de las concentraciones de fósforo correspondientes a cada punto de muestreo de la planta experimental para las tres cargas hidráulicas de estudio. ... 87 Figura 31. Evolución de las concentraciones de azufre correspondientes a cada punto de muestreo de la planta experimental para las tres cargas hidráulicas de estudio. ... 88

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ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1. Comparación de tecnologías convencionales y naturales (Salgot y Torrens, 2008). .... 20 Tabla 2. Principales mecanismos de eliminación y transformación de los contaminantes en los humedales construidos (Mena et al., 2008). ... 22 Tabla 3. Valores característicos de concentración de un agua residual urbana (Gullón, 2011). 29 Tabla 4. Requisitos de los vertidos al medio procedentes de instalaciones de tratamiento de aguas residuales según la Directiva Europea 91/271/CEE. Las limitaciones para el fósforo total y para el nitrógeno total sólo se aplican en zonas sensibles y los límites varían en zonas de población a partir de 100000 habitantes. ... 29 Tabla 5. Cargas hidráulicas superficiales y sus correspondientes cargas orgánicas superficiales. ... 49 Tabla 6. Resumen de los parámetros analizados durante la realización del estudio de la

presente tesina y de los equipos utilizados a tal efecto. ... 50 Tabla 7. Resumen de la nomenclatura de los puntos de muestreo. ... 51 Tabla 8. Resultados obtenidos en los ensayos de la determinación de materia en suspensión (MES) mediante análisis gravimétrico para cada punto de muestreo de la planta experimental a las tres cargas hidráulicas estudiadas. ... 69 Tabla 9. Resultados obtenidos en los ensayos de la determinación de la turbiedad para cada punto de muestreo de la planta experimental a las tres cargas hidráulicas estudiadas. ... 69 Tabla 10. Carga de materia en suspensión correspondiente al depósito de agua residual urbana y al efluente del tanque Imhoff, que es la carga de sólidos suspendidos que debe tratar el humedal de flujo subsuperficial vertical. ... 70 Tabla 11. Eficiencias en la reducción de la concentración de MES de los diferentes elementos del sistema de la planta experimental para el tratamiento de agua residual expresadas en porcentaje. ... 70 Tabla 12. Resultados obtenidos en los ensayos de la determinación de la demanda bioquímica de oxígeno (DBO) para cada punto de muestreo de la planta experimental a las tres cargas hidráulicas estudiadas. ... 74 Tabla 13. Resultados obtenidos en los ensayos de la determinación de la demanda química de oxígeno (DQO) para cada punto de muestreo de la planta experimental a las tres cargas

hidráulicas estudiadas. ... 74 Tabla 14. Resultados obtenidos en los ensayos de la determinación del potencial rédox para cada punto de muestreo de la planta experimental a las tres cargas hidráulicas estudiadas. .. 74 Tabla 15. Carga de DBO correspondiente al depósito de agua residual urbana y al efluente del tanque Imhoff, que es la carga de materia orgánica biodegradable que debe tratar el humedal de flujo subsuperficial vertical. ... 75 Tabla 16. Carga de DQO correspondiente al depósito de agua residual urbana y al efluente del tanque Imhoff, que es la carga de materia orgánica total que debe tratar el humedal de flujo subsuperficial vertical. ... 75 Tabla 17. Eficiencias en la reducción de la concentración de DBO de los diferentes elementos del sistema de la planta experimental para el tratamiento de agua residual expresadas en porcentaje. ... 77

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Tabla 18. Eficiencias en la reducción de la concentración de DQO de los diferentes elementos del sistema de la planta experimental para el tratamiento de agua residual expresadas en porcentaje. ... 77 Tabla 19. Resultados obtenidos en los ensayos de la determinación colorimétrica del amoniaco mediante el método de Solorzano para cada punto de muestreo de la planta experimental a las tres cargas hidráulicas estudiadas. ... 79 Tabla 20. Carga de nitrógeno amoniacal correspondiente al depósito de agua residual urbana y al efluente del tanque Imhoff, que es la carga de amonio que debe tratar el humedal de flujo subsuperficial vertical. ... 79 Tabla 21. Eficiencias en la reducción de la concentración de nitrógeno amoniacal de los

diferentes elementos del sistema de la planta experimental para el tratamiento de agua residual expresadas en porcentaje. ... 79 Tabla 22. Resultados obtenidos en los ensayos de la determinación del oxígeno disuelto para cada punto de muestreo de la planta experimental a las tres cargas hidráulicas estudiadas. .. 81 Tabla 23. Resultados obtenidos en los ensayos de la determinación del pH para cada punto de muestreo de la planta experimental a las tres cargas hidráulicas estudiadas. ... 82 Tabla 24. Resultados obtenidos en los ensayos de la determinación de la presencia de nitratos para cada punto de muestreo de la planta experimental a las tres cargas hidráulicas

estudiadas. ... 83 Tabla 25. Resultados obtenidos en los ensayos de la determinación de la presencia de nitritos para cada punto de muestreo de la planta experimental a las tres cargas hidráulicas

estudiadas. ... 83 Tabla 26. Resultados obtenidos en los ensayos de la determinación del oxígeno disuelto para cada punto de muestreo de la planta experimental a las tres cargas hidráulicas estudiadas. .. 83 Tabla 27. Eficiencias en la reducción de la concentración del nitrógeno de los nitratos en el humedal de flujo subsuperficial horizontal de la planta experimental para el tratamiento de agua residual expresadas en porcentaje. ... 85 Tabla 28. Eficiencias en la reducción de la concentración del nitrógeno de los nitritos en el humedal de flujo subsuperficial horizontal de la planta experimental para el tratamiento de agua residual expresadas en porcentaje. ... 85 Tabla 29. Resultados obtenidos en los ensayos de la determinación de la presencia de

ortofosfatos para cada punto de muestreo de la planta experimental a las tres cargas

hidráulicas estudiadas. ... 87 Tabla 30. Resultados obtenidos en los ensayos de la determinación de la presencia de sulfatos para cada punto de muestreo de la planta experimental a las tres cargas hidráulicas

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AGRADECIMIENTOS

Me gustaría expresar mi agradecimiento a todas las personas que me han ayudado directa o indirectamente durante el tiempo de realización y redacción de esta tesina.

Gracias al Dr. Joan Garcia Serrano, tutor de este trabajo, y a la Sra. Cristina Ávila Martín, cotutora, por mantener la planta experimental en funcionamiento.

Gracias al Sr. Javier Carretero, técnico del laboratorio de Ingeniería Ambiental, por la paciencia que tuvo para enseñarme a realizar los ensayos que realicé para esta tesina y por mantener el orden y la disciplina en el laboratorio.

Gracias al Dr. Rafael Mujeriego Sahuquillo, Catedrático de Ingeniería Sanitaria y Ambiental de la ETSECCPB, ya que decidí cursar la intensificación en Ingeniería Ambiental a causa de sus clases en tercer curso, y gracias también por su gran disponibilidad para ayudarme, aconsejarme y revisar las conclusiones con tanta paciencia.

Gracias al Dr. Pere Prat Catalán, Subdirector y Jefe de Estudios de Ingeniería de Caminos, por su asesoramiento y disponibilidad.

Gracias a la Sra. Françoise Lhoëst Mathijsen, jefa del Servicio de Valoración Toxicológica y Medio Ambiente del Instituto Nacional de Toxicología y Ciencias Forenses, por revisar el tratamiento de los datos obtenidos en las campañas experimentales.

Gracias a la Sra. María Ángeles Toribio, facultativa del Servicio de Valoración Toxicológica y Medio Ambiente del Instituto Nacional de Toxicología y Ciencias Forenses, por traerme libros de ciencias ambientales a casa (en especial el ladrillo que es el Standard Methods), por revisar el texto de la tesina, por aconsejarme con el formato de las tablas y por prepararme regularmente zumos de naranja; cosas de las madres.

Gracias a mi padre por hacerme socio y abonado del Barça hace más de diez años, mereció la pena aguantar a Van Gaal para llegar a Guardiola.

Gracias a Marina Cano Rodríguez por revisar todo el texto, ayudarme a darle el formato con el que presento el escrito y conspirar conmigo para arreglar el mundo.

Gracias a David, Enrique, Miquel, Marc, Marc, Jaume, Martí, Miqui, Xavi y Sergi por hacer entretenidas las horas de comer en la plaza de Caminos y por intentar entender por qué escogí hacer esta tesina.

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1.

INTRODUCCIÓN

El ser humano y las actividades que realiza generan residuos desde el principio de los tiempos. A medida que la población mundial fue aumentando y las personas empezaron a vivir en asentamientos más o menos grandes surgió el espinoso tema de qué hacer con los residuos, en especial con las aguas negras. Así pues, el saneamiento nace como respuesta a un problema de índole sanitaria.

Una de las redes de alcantarillado más antiguas del mundo es la Cloaca Máxima, empezada a construir en Roma aproximadamente en el año 600 a.C. bajo el reinado del rey Tarquinio I, que vertía los residuos de la ciudad al río Tíber. De todas formas, no es hasta la revolución industrial que la necesidad de un buen sistema de saneamiento se hace indispensable para permitir el crecimiento de la población de las ciudades. De este modo, es en Gran Bretaña cuando en 1847 se establece la obligatoriedad de conectar los edificios de las ciudades con la red de alcantarillado, estableciendo así las bases modernas del saneamiento, específicamente en lo referente al primer aspecto del mismo: la recogida y transporte de las aguas residuales.

La construcción de las primeras redes modernas de alcantarillado logró reducir el número de puntos de vertido de aguas residuales, logrando una mejora sustancial de las condiciones de vida en las ciudades. A pesar de eso se hizo evidente una problemática importante: la gran concentración de agua residual en un único punto propició una gran degeneración del estado de los ríos receptores de dichas aguas, creando condiciones higiénicas y ambientales inaceptables. La solución adoptada fue la de utilizar las aguas residuales para fertilizar los campos de cultivo, naciendo así el primer sistema de tratamiento de aguas residuales. De este modo se complementó el concepto de saneamiento, hasta ese momento basado en la recogida y transporte de agua residual, con el de su depuración.

Figura 1. A partir del periodo comprendido entre la primera y la segunda revolución industrial se hace imposible esconder la basura generada por las personas detrás de las cortinas o debajo de la alfombra. Grafiti de Banksy en

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Los primeros sistemas de depuración de aguas residuales inicialmente buscaban la eliminación de materia sólida, para evolucionar hacia el tratamiento de la materia orgánica soluble mediante tratamientos biológicos: primero llegaron, en 1897, los filtros percoladores y posteriormente los fangos activados, en 1914.

Se llega así hasta finales de los años sesenta del siglo XX, momento en el que se considera que se ha desarrollado la mayoría de la base científica generadora de los sistemas convencionales de tratamiento de aguas que se utilizan en la actualidad.

Aspectos relevantes del saneamiento

 Es de vital importancia para la salud humana: El saneamiento está considerado como el avance médico más importante desde 1840. La mejora del saneamiento reduce enfermedades como el cólera, la diarrea, la neumonía y ayuda a reducir problemas como la desnutrición, enfermedades que causan la muerte de millones de personas. Hoy en día muere un niño cada veinte segundos como resultado de la falta de saneamiento en su lugar de residencia.

 Genera beneficios económicos: La mejora del saneamiento tiene efectos positivos sobre el crecimiento económico y la reducción de la pobreza. Según la OMS, cada dólar gastado en mejorar el saneamiento genera un beneficio económico promedio de 7 dólares. El coste económico de la inacción es astronómico. Sin la mejora de los servicios sanitarios, ninguno de los Objetivos de Desarrollo del Milenio, a los que el mundo se ha comprometido, se logrará.

 Contribuye a la dignidad y al desarrollo social: El Saneamiento realza la dignidad, la privacidad y la seguridad, especialmente para las mujeres y las niñas. Se mejora la comodidad y la situación social.

 Mejorar el saneamiento es un objetivo alcanzable: En la Asamblea General de la ONU del año 2008 se estableció que reducir a la mitad la proporción de personas sin saneamiento básico para el año 2015 costaría diez millones de dólares anuales. El saneamiento en los Objetivos de Desarrollo del Milenio de la ONU

El objetivo número 7 de los Objetivos de Desarrollo del Milenio de la ONU (United Nations Millenium Development Goals) busca garantizar la sostenibilidad del medio ambiente. En concreto la meta 7C pretende reducir a la mitad, para el año 2015, el porcentaje de personas sin acceso sostenible al agua potable y a servicios de saneamiento básicos.

La Organización Mundial de la Salud afirma en su Revisión anual mundial de saneamiento y agua potable que en 2008, más de 2600 millones de personas carecían de acceso a instalaciones de saneamiento mejoradas y casi 900 millones de personas consumían agua que no procedía de fuentes mejoradas.

La diarrea es el segundo factor más importante que contribuye a la carga de morbilidad mundial, por delante de las cardiopatías y el virus del SIDA. En niños de menos de cinco años se presentan cada año 2500 millones de casos de diarrea y se calcula que 1,5 millones de niños mueren de diarrea anualmente. Los más afectados son las poblaciones de los

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países en desarrollo que viven en condiciones extremas de pobreza, tanto en áreas periurbanas como rurales.

Figura 2. Mapamundi en el que se representa el porcentaje de población con acceso a un sistema de saneamiento adecuado. OMS.

Las enfermedades diarreicas imponen una carga muy importante para los recursos de salud pública en países donde predominan las condiciones antihigiénicas, que son, en gran parte, los países más pobres del mundo. Esta carga afecta a los hogares, a los servicios de salud y a las economías nacionales. Los principales problemas que causan esta situación incluyen la falta de prioridad que se le da al sector, la escasez de recursos económicos, la carencia de sostenibilidad de los servicios de abastecimiento de agua y saneamiento, los malos hábitos de higiene y el saneamiento inadecuado de entidades públicas como hospitales, centros de salud y escuelas. Para reducir la carga de enfermedad causada por estos factores de riesgo es sumamente importante proveer acceso a cantidades suficientes de agua segura e instalaciones para la disposición sanitaria de excretas y promover prácticas seguras de higiene.

La Comisión de la OMS sobre Macroeconomía y Salud evaluó la ampliación del acceso al agua potable y a servicios básicos de saneamiento como una intervención de salud sumamente eficaz en relación con su costo.

Tecnologías para el tratamiento de aguas residuales

Los sistemas convencionales de tratamiento de aguas residuales han sido desarrollados pensando en grandes acumulaciones de población, motivo por el cual sus costes de construcción, funcionamiento y mantenimiento son muy elevados. Así, en los países del primer mundo, las plantas de tratamiento de aguas residuales están subvencionadas por el Estado y el saneamiento está interiorizado en la mente colectiva como un servicio público que se paga con los impuestos.

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Los sistemas naturales de depuración de aguas residuales aprovechan los mecanismos que brinda la naturaleza para llevar a cabo su función, siendo idóneos para pequeños y medianos núcleos de población y, debido a su bajo coste, también para zonas en vías de desarrollo. Es de gran importancia investigar y trabajar en el desarrollo de dichos sistemas naturales, sobre todo en su vertiente de ayuda al desarrollo de los países del tercer mundo, en tanto que puede servir para mejorar enormemente las condiciones de vida de la población.

El agua y el saneamiento son uno de los principales motores de la salud pública. Suelo referirme a ellos como ‘Salud 101’, lo que significa que en cuanto se pueda garantizar el acceso al agua salubre y a instalaciones sanitarias adecuadas para todos, independientemente de la diferencia de sus condiciones de vida, se habrá ganado una importante batalla contra todo tipo de enfermedades.

Dr. Lee Jong-Wook, Director General de la Organización Mundial de la Salud

No acabaremos con el SIDA, la tuberculosis, la malaria ni ninguna de las demás enfermedades infecciosas que asolan al mundo en desarrollo hasta que no hayamos ganado también la batalla para asegurar la disponibilidad de agua potable, saneamiento y asistencia sanitaria básicas.

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2.

OBJETIVOS

2.1.

OBJETIVO PRINCIPAL

Evaluar la capacidad de depuración de aguas residuales urbanas de los humedales construidos mediante el estudio del funcionamiento de humedales de flujo subsuperficial vertical, subsuperficial horizontal y en lámina libre situados en serie en una planta experimental a escala operando a diferentes cargas hidráulicas.

2.2.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Tratar los datos correspondientes a los ensayos realizados sobre los humedales de la planta experimental durante el periodo de trabajo comprendido entre marzo y mayo de 2011 con la planta experimental trabajando a cargas hidráulicas de 200 l/día, 400 l/día y 500 l/día.

 Estudiar y comparar el rendimiento de reducción de materia en suspensión (MES) a las tres cargas hidráulicas de trabajo.

 Estudiar y comparar la eficiencia en la reducción de DBO a las tres cargas hidráulicas de trabajo.

 Estudiar y comparar el rendimiento de reducción de DQO a las tres cargas hidráulicas de trabajo.

 Estudiar y comparar la eficiencia en la reducción de nitrógeno amoniacal a las tres cargas hidráulicas de trabajo.

 Estudiar y comparar el rendimiento de reducción de nutrientes (nitrógeno, fósforo y azufre) a las tres cargas hidráulicas de trabajo.

 Determinar las condiciones de operación, en cuanto a carga hidráulica se refiere, que ofrecen un mayor rendimiento.

2.3.

DESARROLLO DEL TRABAJO

1. Estudio de la bibliografía existente acerca del funcionamiento de humedales construidos de flujo subsuperficial vertical, horizontal y de flujo superficial o en lámina libre. Consulta de diferentes bases de datos (Science Direct, Willey and Sons, ACS) de artículos científicos profesionales publicados en revistas de prestigio internacional como Ecological Engineering, Water Science Technology, Water Research, etc.

2. Preparación de un plan de trabajo específico a llevar a cabo en la planta experimental y en el laboratorio teniendo en cuenta los parámetros de control del rendimiento de los humedales construidos obtenidos mediante la revisión bibliográfica.

3. Realización de los ensayos programados en el laboratorio de Ingeniería Sanitaria y Ambiental del Gup d’Enginyeria Microbiològica i del Medi Ambient (GEMMA) del Departament d’Enginyeria Hidràulica, Marítima i Ambiental (DEHMA) de l’Escola Tècnica Superior d’Enginyers de Camins, Canals i Ports de Barcelona.

4. Estudio e interpretación de los resultados obtenidos de acuerdo a la bibliografía consultada y elaboración de la presente Tesina Final de Carrera.

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3.

ESTADO DEL CONOCIMIENTO

3.1.

INTRODUCCIÓN

A

LOS

SISTEMAS

NATURALES

DE

DEPURACIÓN DE AGUAS RESIDUALES

La Directiva 91/271/CEE de la Unión Europea establece que el agua residual de todas las agrupaciones urbanas de más de dos mil habitantes equivalentes debe ser tratada hasta unos límites definidos de calidad. Para las poblaciones de menos de dos mil habitantes equivalentes esta directiva especifica que estas aglomeraciones deben someter sus aguas residuales a un tratamiento adecuado (Gullón, 2011). Después de haberse comenzado o completado los correspondientes planes de saneamiento asociados a la Directiva se han podido detectar, en especial en las zonas rurales donde existen a menudo limitaciones financieras y de gestión, varios problemas sobre todo asociados al consumo elevado de energía o la falta de recursos técnicos para desarrollar sistemas convencionales de tratamiento de aguas residuales (Salgot y Torrens, 2008).

Como alternativa a las costosas técnicas convencionales de tratamiento de aguas residuales, los ingenieros han buscado otros caminos y se ha desarrollado una serie de sistemas basados en los mecanismos de depuración existentes en la naturaleza (Mena et al., 2008). Los sistemas naturales de depuración de aguas son aquellos que logran la eliminación de las sustancias contaminantes de las aguas residuales mediante mecanismos y procesos que prácticamente no requieren energía externa ni aditivos químicos (García y Corzo, 2008).

Estos sistemas requieren la misma cantidad de energía por cada kilogramo de contaminante degradado que las tecnologías convencionales. No obstante, esta fuente es tomada de la naturaleza como energía solar, energía cinética del viento, energía química acumulada en la biomasa y en el suelo... Entre estos sistemas se encuentran las lagunas de oxidación, los filtros verdes y los humedales naturales y artificiales. Todos estos no son más que ecosistemas en los que juegan un papel importante determinadas plantas y microorganismos, cuya acción biológica y eficiente simbiosis permiten la eliminación de las cantidades excesivas de nutrientes esenciales, materia orgánica, trazas de metales pesados y agentes patógenos presentes en las aguas residuales (Kadlec y Knight, 1995). En estos sistemas también se dan procesos físicos y químicos tales como la filtración, la sedimentación, la absorción, la fotoxidación y la fotosíntesis que contribuyen, en conjunto, a su acción depuradora (Mena et al., 2008).

Las dos principales diferencias entre los sistemas naturales y los convencionales son su nulo consumo energético externo para descontaminar y la necesidad de una mayor superficie de tratamiento (Garcia y Corzo, 2008).

Los sistemas naturales de tratamiento de aguas residuales tienen tiempos de residencia hidráulicos muy superiores que los sistemas convencionales de tratamiento, entre 3 y 200 días para los sistemas naturales y entre 1 y 2 días para los convencionales, motivo por el cual son eficaces en la modulación de las variaciones de volumen y de calidad del agua afluente. Sin embargo, debido a su elevado tiempo de residencia hidráulico y porque los sistemas naturales son por lo general al aire libre, están situados en extensas áreas de

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terreno que son susceptibles a tormentas, vientos, incendios, insectos, inundaciones y terremotos. Por este motivo, los sistemas naturales ofrecen una respuesta relativamente lenta a los cambios operacionales e igualmente son más propensos a responder a los eventos naturales de una forma que escape al control del operador del sistema o propietario del mismo (Kadlec y Knight, 1995).

En las últimas décadas los sistemas naturales han visto aumentada su utilización gracias a sus características favorables de construcción y funcionamiento. Los sistemas naturales de depuración requieren poco personal para su articulación, no presentan consumo energético o, en caso de necesitarlo, se reduce al bombeo de cabecera, no generan grandes cantidades de fangos de forma continuada y proporcionan un tratamiento efectivo y fiable (Garcia y Corzo, 2008).

Tecnologías Convencionales/Intensivas Tecnologías Naturales/Extensivas Gasto energético elevado: energía eléctrica

para la oxigenación y mezcla en reactores (costes elevados)

Mínimo o nulo gasto energético: energía natural (sol y ocasionalmente viento)

Cemento, equipos de tecnología dura y avanzada

Poco cemento y pocos o ningún equipo de tecnología avanzada. Los movimientos de tierras en la construcción son importantes Proporcionalmente poca superficie Requieren mucha superficie

Mantenimiento y explotación complicados Mano de obra muy especializada

Mantenimiento y explotación simple. El gestor debe conocer los procesos y ser capaz de prevenir problemas

Se puede influir rápidamente en los procesos Los mecanismos de tratamiento tienen

mucha inercia Tiempo de residencia hidráulico corto Tiempo de residencia hidráulico largo

Aspecto tecnológico y artificial Buena integración en el paisaje

Procesos artificializados (muy acelerados) Procesos naturales a velocidad “natural” Poca adaptabilidad a cambios de caudal o

carga

Gran adaptabilidad a cambios de caudal y/o carga

Generación de lodos elevada Generación de lodos reducida o nula

Tabla 1. Comparación de tecnologías convencionales y naturales (Salgot y Torrens, 2008).

A modo de resumen se puede afirmar que el interés en la aplicación de sistemas naturales de tratamientos de aguas residuales reside en diferentes aspectos (Mena et al, 2008):

- Utilidad de los sistemas naturales para la depuración y el almacenamiento de nutrientes.

- En el caso de los humedales naturales, sus beneficios medioambientales, tanto por la aportación de vida salvaje como por su estética que no rompe el paisaje.

- La rápida subida de los costes de construcción y operación asociados a las instalaciones de tratamiento convencional.

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Según el lugar en el que se lleve a cabo el tratamiento, los sistemas naturales se pueden clasificar en (Gullón, 2011):

- Edáficos: El tratamiento tiene lugar en el terreno, concretamente en la biopelícula que crece adherida al sustrato sólido que forma el suelo que atraviesa el agua. Aquí podemos localizar los humedales de flujo subsuperficial.

- Acuáticos: El tratamiento tiene lugar en una masa de agua, como es el caso de los humedales de flujo superficial.

Los sistemas naturales de depuración de aguas residuales también son conocidos en la literatura científica y técnica como tecnologías no convencionales, sistemas de bajo coste, tecnologías blandas y sistemas verdes, entre otros (Garcia y Corzo, 2008).

3.2.

SISTEMAS DE HUMEDALES

Los sistemas de humedales utilizan especies de plantas cuyas raíces son tolerantes al agua y las propiedades y condiciones de los suelos parcialmente inundados o saturados de agua para proporcionar diferentes tipos de tratamientos al agua residual (Kadlec y Knight, 1995).

Hay tres tipos básicos de sistemas de humedales: los humedales naturales, los humedales construidos de flujo superficial y los humedales construidos de flujo subsuperficial. A pesar de existir una amplia variedad de humedales naturales, únicamente los que tengan especies vegetales adaptadas a inundaciones continuas están capacitados para recibir un flujo permanente de agua residual. Este hecho, junto a la protección especial a la que están sometidos los humedales naturales por su alto valor ecológico, exige que el agua residual vertida a un humedal natural provenga, como mínimo, de un tratamiento secundario (Kadlec y Knight, 1995).

Las especies vegetales típicamente utilizadas en los humedales son el carrizo

Phragmites australis, la cola de gato Conyza bonariensis y la espadaña Typha. Parte del oxígeno entra en el lecho de sustrato mediante la difusión directa de oxígeno atmosférico mientras que otra fracción penetra en el terreno a partir del sistema de raíces y hojas de las plantas, dando como resultado una mezcla de zonas aeróbicas y anaeróbicas. La mayoría del lecho saturado se encuentra en condiciones anaeróbicas bajo las condiciones habituales de carga de agua residual (Kadlec y Knight, 1995).

3.3.

HUMEDALES NATURALES

El término humedal describe un amplio espectro de ecosistemas; desde áreas que nunca se inundan hasta zonas que están sumergidas la mayor parte del tiempo. Los humedales se encuentran entre sistemas secos pero con el terreno saturado de agua y sistemas inundados que se pueden considerar ecosistemas acuáticos.

El paso de ecosistema seco a acuático es un continuo con variación temporal y biológica, sin una clara frontera hidrológica entre sus diferentes estados, motivo por el cual todas las definiciones de humedal tienen un alto grado de arbitrariedad. De todas formas, el

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atributo más consistente de los humedales es la presencia de agua durante la mayor parte del año.

Los humedales son áreas donde el suelo está saturado de agua o donde una lámina de agua de poca profundidad cubre el terreno, dando como resultado la ausencia de especies vegetales que dependan de que el sustrato esté en condiciones aeróbicas (Kadlec y Knight, 1995).

3.4.

HUMEDALES CONSTRUIDOS

La construcción intencionada de humedales para proporcionar hábitats naturales y efectuar tratamientos de agua empezó con el movimiento ecologista de la década de los setenta del siglo pasado (Kadlec y Knight, 1995).

Los humedales construidos son sistemas pasivos de depuración constituidos por lagunas o canales poco profundos, normalmente de menos de un metro, plantados con especies vegetales propias de zonas húmedas, macrófitos acuáticos, y en los que los procesos de descontaminación tienen lugar mediante las interacciones entre el agua, el sustrato sólido, los microorganismos, la vegetación e incluso la fauna (Garcia y Corzo, 2008).

Los humedales construidos, también denominados artificiales (Gullón, 2011 y Mena et al., 2008) o zonas húmedas construidas (Salgot y Torrens, 2008), imitan las condiciones óptimas de tratamiento de aguas residuales que se pueden encontrar en un humedal natural, pero tienen la capacidad de poder ser construidos en prácticamente cualquier lugar (Kadlec y Knight, 1995).

Los mecanismos de depuración que se dan en los sistemas de humedales construidos para la depuración de aguas residuales son complejos e incluyen procesos químicos, físicos y biológicos (Salgot y Torrens, 2008).

Contaminantes Mecanismos de eliminación

Materia en suspensión (MES) Sedimentación Filtración

Materia orgánica biodegradable (DBO) Degradación microbiana aerobia. Degradación microbiana anaerobia. Nitrógeno

Amonificación seguida por nitrificación microbiana y desnitrificación.

Asimilación por parte de las plantas Volatilización del amoniaco.

Fósforo Adsorción por parte del lecho.

Asimilación por parte de las plantas.

Metales Asimilación por parte de las plantas.

Intercambio iónico Patógenos

Sedimentación Filtración Muerte natural

Irradiación ultravioleta (UV)

Tabla 2. Principales mecanismos de eliminación y transformación de los contaminantes en los humedales construidos (Mena et al., 2008).

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Se pueden utilizar para el tratamiento de aguas residuales procedentes tanto de un tratamiento primario como secundario y de muy diversos tipos como por ejemplo lixiviados de vertederos, aguas residuales industriales o agrícolas, drenajes de explotaciones mineras o aguas de lluvia (Kadlec y Knight, 1995).

Los aspectos claramente favorables que han motivado el creciente interés por la tecnología de los humedales construidos como tecnología natural para el tratamiento de aguas residuales son los siguientes:

- Proporcionan un tratamiento eficaz, eliminando de las aguas residuales un amplio espectro de contaminantes (Mena et al., 2008) consiguiendo sobre todo una excelente eliminación de la materia orgánica y de los sólidos en suspensión (Salgot y Torrens, 2008).

- Sus costes de inversión, operación y mantenimiento son significativamente menores que los de los sistemas convencionales de tratamiento (Vymazal, 2000; Mena et al., 2008). Su explotación es simple; las operaciones son básicamente trabajos de jardinería (Salgot y Torrens, 2008). Su aplicación en países en vías de desarrollo tiene un gran potencial (Yalcuk y Ugurlu, 2009), especialmente en pequeñas comunidades rurales (Kivaisi, 2000).

- Proporcionan un tratamiento secundario y/o terciario produciendo un agua reutilizable en muchos casos (Mena et al., 2008).

- Consumo energético mínimo o nulo (Salgot y Torrens, 2008) ya que, entre otras cosas, el aporte de oxígeno es espontáneo (Mena et al., 2008).

- Baja producción de residuos (Salgot y Torrens, 2008); no generan fangos (Mena et al., 2008).

- Con una construcción adecuada son poco susceptibles a cambios de carga o caudal (Salgot y Torrens, 2008 y Mena et al., 2008).

- Los sistemas de flujo subsuperficial (en especial los verticales) requieren menos superficie que la mayoría de tratamientos naturales (Salgot y Torrens, 2008).

- En los sistemas de flujo subsuperficial los problemas de olores e insectos son mínimos (Salgot y Torrens, 2008).

- Están bien integrados dentro del paisaje, contribuyen al desarrollo de vida salvaje y tienen la posibilidad de ser utilizados para la concienciación y educación medioambiental (Mena et al., 2008).

- Los humedales naturales, cuando son aptos para su utilización en el tratamiento de aguas residuales, son el sistema natural más barato (Kadlec y Knight, 1995).

A pesar de esta gran lista de ventajas, no sería justo proseguir sin observar una serie de inconvenientes:

- Las dificultades más habituales que se pueden dar en los sistemas de humedales están relacionadas con el mantenimiento del suelo parcialmente aireado. Cuando los sistemas de humedales se sobrecargan con elementos demandantes de oxígeno o son operados con una profundidad excesiva de agua, los sedimentos adquieren unas condiciones altamente reductoras, dando como resultado plantas estresadas y una reducción en la eficiencia de eliminación de la demanda bioquímica de oxígeno y del

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nitrógeno amoniacal. Un problema habitual en los humedales construidos de flujo subsuperficial es la utilización de un gradiente hidráulico inadecuado que da como resultado la aparición de flujos de agua superficiales (Kadlec y Knight, 1995).

- Sensibilidad a la temperatura. Sistemas no recomendables en zonas de climatología extrema con heladas frecuentes (Salgot y Torrens, 2008). En países con clima templado durante el invierno disminuye la efectividad de depuración de estos sistemas, sobre todo en la eliminación de nitrógeno (Mena et al., 2008).

- Pocos factores de control durante la operación. Mantenimiento poco explícito y conocido (Salgot y Torrens, 2008).

- La eliminación de fósforo es baja y disminuye con el tiempo (Mena et al., 2008). - Requieren grandes extensiones de terreno para alcanzar resultados satisfactorios

(Mena et al., 2008). La superficie de diseño es mucho mayor que en los convencionales, especialmente los humedales de flujo libre (Salgot y Torrens, 2008). - No pueden ser alimentados directamente con aguas residuales con altas cargas

orgánicas o de sólidos en suspensión (Mena et al., 2008). Si la eliminación de sólidos en suspensión en el pretratamiento y/o en el tratamiento primario no es eficiente, puede haber colmatación, especialmente en los humedales de flujo subsuperficial horizontal (Salgot y Torrens, 2008).

- La efectividad de los humedales depende de que el agua a tratar reciba un correcto pretratamiento, de unos parámetros de carga hidráulica conservadores y de la implementación de estrategias de operación exitosas (Kadlec y Knight, 1995).

- En los humedales de flujo libre puede producirse la proliferación de mosquitos (Salgot y Torrens, 2008).

Existen varios tipos de humedales artificiales cuyo modo de actuación, aún basándose en los mismos principios biológicos, es diferente según el tipo de flujo (Salgot y Torrens, 2008; Garcia y Corzo, 2008): humedales artificiales de flujo superficial y humedales artificiales de flujo subsuperficial vertical u horizontal. Pueden existir sistemas híbridos fruto de la combinación de ambas tipologías (Mena et al., 2008)

3.4.1. SISTEMAS DE FLUJO LIBRE O SUPERFICIAL

En los sistemas de flujo superficial el agua está expuesta directamente a la atmósfera y circula entre los tallos y las hojas de las especies vegetales plantadas (Garcia y Corzo, 2008), siguiendo una trayectoria del flujo horizontal (Mena et al., 2008).

Estos tipos de humedales se pueden entender como una modificación del lagunaje natural, denominándose en algunas ocasiones lagunas con macrófitos enraizados (Salgot y Torrens, 2008), en la que la profundidad de la lámina de agua oscila entre 0,3m y 0,4m y donde encontramos plantas (Garcia y Corzo, 2008).

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Los humedales de flujo superficial son utilizados principalmente para tratamientos terciarios y, en algunos casos, para secundarios (Mena et al., 2008), por este motivo se suelen aplicar para mejorar la calidad de efluentes que ya han sido previamente tratados en una depuradora (Garcia y Corzo, 2008). El tratamiento se produce durante la circulación del agua a través de los tallos y raíces de la vegetación emergente (Mena et al., 2008).

Estos sistemas son menos eficaces que los de flujo subsuperficial porque no tienen medio de soporte que participe en los mecanismos de depuración y, además, su funcionamiento se ve más afectado por las condiciones climáticas (Salgot y Torrens, 2008). La exposición del agua a la atmósfera hace que el diseño adecuado de estos sistemas sea crucial para evitar problemas derivados de una posible sobrecarga del sistema, tales como la aparición de olores y plagas de insectos (Mena et al., 2008).

3.4.2. SISTEMAS DE FLUJO SUBSUPERFICIAL

El agua residual circula a través del medio poroso y de soporte, ya sea rocas o grava, y siempre por debajo de la superficie del mismo (Mena et al., 2008; Salgot y Torrens, 2008), de este modo, y a diferencia de los sistemas de flujo libre, se evitan problemas como posibles plagas de insectos, olores y, en climas fríos, aportan una mayor protección térmica (Mena et al., 2008). La lámina de agua suele ser de entre 0,3m y 0,9m (Gullón, 2011).

Figura 4. Sección transversal de un humedal de flujo subsuperficial horizontal (Garcia y Corzo, 2008).

Debido a la circulación subterránea del agua residual es necesario disponer de una barrera impermeable para confinar al sistema y prevenir la contaminación de las aguas subterráneas (Garcia y Corzo, 2008). Durante el paso del agua residual a través del lecho poroso se produce un contacto con zonas aerobias, anóxicas y anaerobias. La zona aerobia se encuentra en las regiones muy cercanas a la superficie y alrededor de las raíces y rizomas de las plantas. Los microorganismos que degradan la materia orgánica se encuentran formando una biopelícula alrededor de la grava y de las raíces de las plantas (Mena et al., 2008). El conjunto medio granular/biopelícula/plantas debe considerarse como el principal constituyente de los humedales (Garcia y Corzo, 2008).

En el medio granular ocurren múltiples procesos como la retención y sedimentación de la materia en suspensión, la degradación de la materia orgánica, la transformación y asimilación de los nutrientes y la inactivación de los microorganismos patógenos (Garcia y Corzo, 2008). Cuanto mayor sea la superficie susceptible de ser ocupada por la biopelícula, mayor será la densidad de microorganismos y mayor el rendimiento del sistema (Mena et al., 2008).

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En función del sentido de circulación del flujo de agua los humedales construidos de flujo subsuperficial se pueden clasificar en humedales de flujo horizontal y vertical.

Flujo horizontal

La alimentación del agua residual se realiza a través de un distribuidor y avanza lentamente por la parcela de manera horizontal y con flujo básicamente de pistón, hasta que llega a la zona de salida (Salgot y Torrens, 2008). Se caracterizan por funcionar permanentemente inundados y con cargas de alrededor de 6 gDBO5/m2día (Garcia y Corzo,

2008).

El agua, a su paso por el lecho, se pone en contacto con la biopelícula formada en las raíces de las plantas y en el material de soporte. Esta biopelícula, a diferencia con los filtros verticales, presentará características diferentes según la zona sea aeróbica, anaeróbica o anóxica. Este tipo de humedal presenta características de limitación de oxígeno, porque la vegetación no puede aportar con las raíces la cantidad de oxígeno necesaria para oxidar la carga orgánica del agua residual, por lo que este sistema no es capaz de nitrificar de forma importante, aunque si desnitrificar (Salgot y Torrens, 2008).

Flujo vertical

Esta tipología de humedales fue desarrollada en Europa como alternativa a los humedales horizontales para producir efluentes nitrificados (Garcia y Corzo, 2008).

La alimentación de agua residual se realiza de manera intermitente, a pulsos o por cargas por toda la superficie (Mena et al., 2008; Gullón, 2011) a través de unas tuberías aéreas o de surtidores que se sitúan encima del lecho de grava o arena (Salgot y Torrens, 2008). Operan con cargas de alrededor de 20 gDBO5/m2día (Garcia y Corzo, 2008).

Figura 5. Sección transversal de un humedal de flujo subsuperficial vertical (Garcia y Corzo, 2008).

El agua fluye a través del medio poroso experimentando un tratamiento físico (filtración), químico (oxidación) y biológico (fijación de la biomasa) y se recoge en una red de drenaje situada en el fondo del lecho (Salgot y Torrens, 2008).

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La frecuencia de aplicación del agua residual se debe calcular de manera que no quede agua en superficie procedente del riego anterior, con el objetivo de mantener unas condiciones insaturadas del medio poroso (Mena et al., 2008). Esta forma de gestionar el filtro favorece la entrada de oxígeno al interior del lecho filtrante, mediante el flujo en pistón que se produce, ya que la lámina de agua procedente del riego empuja el aire que ha entrado previamente al sistema y al mismo tiempo deja un espacio vacío detrás que se llenará posteriormente también con aire. La aportación de oxígeno por las raíces de las plantas es, en este caso, despreciable (Salgot y Torrens, 2008).

El principio depurador se basa en el desarrollo de una biomasa aerobia fijada sobre un medio poroso, lo que se denomina biofilm o biopelícula que crece en la arena o grava del lecho. El sistema será pues aerobio con un aporte de oxígeno que procede de la convección y difusión (Salgot y Torrens, 2008). En general los sistemas verticales se combinan con horizontales para que se sucedan de forma progresiva los procesos de nitrificación y desnitrificación y se consiga así eliminar nitrógeno (Garcia y Corzo, 2008).

Los sistemas verticales tienen una mayor capacidad de tratamiento que los horizontales ya que requieren de una menor superficie para tratar una determinada carga orgánica. Por otra parte, son más susceptibles a la colmatación del lecho (Garcia y Corzo, 2008).

Los humedales de lujo vertical presentan el inconveniente de que su operación es más compleja, un poco más cara y que no han sido tan estudiados como los horizontales (Mena et al., 2008).

3.4.3. EL PAPEL DE LA VEGETACIÓN

Las plantas de mayor tamaño que crecen en los humedales se conocen como macrófitos, Phragmites Australis es la especie vegetal más utilizada (Vymazal, 2000). La presencia o ausencia de estos macrófitos es una de las características utilizadas para definir los humedales construidos (Brix, 1997).

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En los últimos años se ha desarrollado un debate (Vymazal y Kröpfelová, 2008) acerca del papel real que desempeña la vegetación en los sistemas de humedales construidos para la depuración de aguas residuales, especialmente en los de flujo subsuperficial. De todas formas, todos los autores coinciden en su importancia en el mantenimiento de la biodiversidad y en su elevado valor paisajístico.

Los macrófitos son indispensables en los humedales, sobre todo por la función física que ejercen (Brix, 1997). Además, las plantas emergentes contribuyen al tratamiento del agua residual desempeñando diversas funciones que ayudan a la depuración de aguas:

- Las plantas acuáticas que crecen en los humedales de flujo subsuperficial se supone que actúan como canales de transporte de gases hacia la atmósfera y de oxígeno hacia el relleno (Mena et al., 2008).

- La presencia de plantas mejora el flujo del agua residual creando conexiones entre la superficie y la rizosfera (Chazarenc et al., 2003).

- Las plantas contribuyen a estabilizar el cauce (Brix, 1997), ayudan a mantener a largo plazo la conductividad hidráulica del lecho filtrante (Salgot y Torrens, 2008), distribuyen y ralentizan la velocidad del agua, lo que favorece la sedimentación de los sólidos suspendidos, reduce el riesgo de resuspensión (Brix, 1997) y aumenta el tiempo de contacto entre el agua y la vegetación (Mena et al., 2008).

- Toman el carbono, nutrientes y elementos de traza y los incorporan a los tejidos de la planta (Mena et al., 2008 y Garcia y Corzo, 2008).

- La influencia de las raíces de las plantas es bastante grande (Brix, 1997). Alrededor de las raíces existen gradientes de muchas de las especies químicas presentes en el agua (Kadlec y Knight, 1995).

- Compactan el lecho dotándolo de estabilidad (Mena et al., 2008), sobre todo en los humedales veticales (Brix, 1997).

- Ejercen de medio de soporte de la biopelícula (Salgot y Torrens, 2008). Las raíces actúan como superficie para la fijación de microorganismos aumentando así la superficie de biopelícula (Kadlec y Knight, 1995).

- Minimizan el gradiente de temperatura dentro del relleno, protegiéndolo del frío en invierno (Brix, 1997; Salgot y Torrens, 2008; Garcia y Corzo, 2008) y evitando flujos indeseables por diferencia de temperaturas (Mena et al., 2008).

Numerosos estudios (Kadlec y Knight, 1995) realizados tanto con plantas como sin ellas demuestran que el rendimiento de depuración es mayor cuando las plantas están presentes (Mena et al., 2008).

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3.5.

EFECTOS DE LOS HUMEDALES EN LA CALIDAD DEL AGUA

Las plantas depuradoras de aguas residuales urbanas se han diseñado corrientemente para eliminar materia en suspensión y materia orgánica. En los últimos años la eliminación de nutrientes (nitrógeno y fósforo) también se ha ido introduciendo como objetivo a alcanzar. De hecho, en la actualidad los procesos de eliminación de nutrientes se podrían considerar ya como convencionales (Garcia y Corzo, 2008).

Parámetro Débil (mg/l) Media (mg/l) Fuerte (mg/l) Sólidos totales Disueltos totales Volátiles No volátiles Materia en suspensión Volátiles No volátiles 350 250 105 145 100 80 20 720 500 200 300 220 165 55 1200 850 325 525 350 275 75 Sólidos sedimentables (ml/l) 5 10 20 DBO5 a 20ºC 110 220 400

Carbono orgánico total 80 160 290

DQO 250 500 1000

Nitrógeno total como N Orgánico Amoniaco libre Nitritos Nitratos 20 8 12 0 0 40 15 25 0 0 85 35 50 0 0 Fósforo total como P

Orgánico Inorgánico 4 1 3 8 3 5 15 5 10 Cloruros 30 50 100 Sulfatos 20 30 50

Alcalinidad como CaCO3 50 100 200

Grasa 50 100 150

Tabla 3. Valores característicos de concentración de un agua residual urbana (Gullón, 2011).

Parámetro Concentración Porcentaje mínimo de reducción

DBO5 < 25 mg/l 70-90

DQO < 125 mg/l 75

Sólidos en suspensión < 35 mg/l 70-90

Fósforo total < 1 mg/l 80

Nitrógeno total < 10 mg/l 70-80

Tabla 4. Requisitos de los vertidos al medio procedentes de instalaciones de tratamiento de aguas residuales según la Directiva Europea 91/271/CEE. Las limitaciones para el fósforo total y para el nitrógeno total sólo se aplican en

zonas sensibles y los límites varían en zonas de población a partir de 100000 habitantes.

3.5.1. TEMPERATURA, OXÍGENO DISUELTO Y PH

Las condiciones físicas y químicas del ecosistema de los humedales afectan a todos sus procesos biológicos. De la misma manera, la gran mayoría de los procesos biológicos que se dan en un humedal afectan a las condiciones físicas y químicas de su ecosistema. Tres de los

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factores abióticos más variables e importantes son la temperatura, el oxígeno disuelto y el pH (Kadlec y Knight, 1995).

La temperatura varía en función del momento del día, la estación del año y la latitud; a pesar de eso los procesos biológicos apenas le afectan (Kadlec y Knight, 1995). El efecto de la estación del año y de las temperaturas sobre los humedales es motivo de discusión, de todas formas se ha demostrado que los humedales son capaces de operar de forma eficiente en zonas frías (Vymazal y Kröpfelová, 2008). En los humedales horizontales se suele subestimar la capacidad de depuración en las zonas cálidas debido a las pérdidas por evapotranspiración (Molle et al., 2008).

El oxígeno es abundante en la atmósfera, pero su solubilidad en el agua es limitada. Suele jugar un papel de factor limitante en el crecimiento de las especies vegetales y animales de los humedales. La concentración de oxígeno disuelto en el agua varía con la temperatura, el contenido de sales y la actividad biológica. A mayor temperatura, menor oxígeno disuelto en el agua. Lo mismo pasa con la salinidad; cuanto mayor sea el contenido de sales disueltas en el agua menor será el oxígeno disuelto en ellas (Kadlec y Knight, 1995).

El pH influye en una gran cantidad de procesos bioquímicos, controlando la solubilidad de diferentes gases y sólidos en el agua. Muchas bacterias utilizadas en el tratamiento de aguas residuales no pueden sobrevivir en pH que no estén comprendidos entre 4 y 9,5. Las bacterias desnitrificantes operan entre pH de 6,5 y 7,5; mientras que las bacterias nitrificantes operan de formar correcta con pH mayores de 7,2 (Kadlec y Knight, 1995).

3.5.2. SÓLIDOS EN SUSPENSIÓN

La turbiedad de un agua está causada principalmente por la presencia de materia en suspensión; de todas formas también pueden contribuir compuestos orgánicos, a pesar de ser solubles (Kadlec y Knight, 1995).

Figura 7. Mecanismos de transmisión y almacenamiento de los sólidos en suspensión en los humedales de flujo superficial. TSS = sólidos en suspensión, TDS = sólidos disueltos (Kadlec y Knight, 1995).

La materia en suspensión queda retenida en los humedales mediante la combinación de diferentes fenómenos de tipo físico que en su conjunto se denominan como filtración del medio granular. Entre estos fenómenos cabe destacar la sedimentación debida a la baja

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velocidad de circulación del agua y el tamizado que sucede a nivel de los espacios intersticiales del medio granular (Garcia y Corzo, 2008).

Procesos particulares en humedales de flujo superficial

Después de que la materia en suspensión llegue al humedal se une a grandes cantidades de sólidos en suspensión generados internamente en dicho humedal y ambos son transportados por él. La sedimentación y la resuspensión de sólidos se producen continuamente en la travesía del agua por el humedal al igual que la generación de materia en suspensión procedente de actividades ocurridas tanto por encima como por debajo de la superficie del agua.

La lentitud del movimiento de la lámina de agua hace posible el asentamiento físico de las partículas en suspensión. Las partículas se hunden en el agua debido a la diferencia entre la densidad del agua y la de los sólidos en cuestión.

En el ecosistema de los humedales la resuspensión no es un proceso dominante ya que la velocidad a la que circula el agua no es lo suficientemente grande como para desplazar partículas situadas en el fondo. De todas formas es un fenómeno a tener en cuenta en el diseño de un humedal (Kadlec y Knight, 1995).

Los principales mecanismos de filtración que se dan en los humedales de flujo superficial son bien conocidos (Kadlec y Knight, 1995):

- Deposición por inercia o por impacto. Las partículas se mueven a una velocidad tal que chocan con los tallos de las plantas en lugar de rodearlos transportados por las corrientes de agua que se forman a su alrededor.

- Intercepción de la línea de flujo. Las partículas evitan el choque pero pasan lo suficientemente cerca de los tallos como para rozarlos y quedarse pegados en su biopelícula.

- Deposición por difusión. Procesos aleatorios tanto a microescala como a macroescala que llevan a una partícula hasta el fondo.

Las eficiencias de estos procesos dependen de la velocidad de circulación del agua y de las propiedades de las partículas y el agua.

Procesos particulares en humedales de flujo subsuperficial

El conjunto de procesos que ocurren sobre los sólidos en suspensión en un humedal de flujo subsuperficial reciben el nombre, en la literatura especializada, de filtración en medio granular; de este modo se entiende que el lecho de material granular actúa a modo de filtro (Kadlec y Knight, 1995).

La mayoría de los procesos se dan en los microporos del medio, de tal modo que el agua, al pasar a través de ellos, se ve sometida a unas determinadas fuerzas de tracción que ocasionan que la materia en suspensión se quede adherida o atascada en el medio granular. En caso de aumentar la velocidad de circulación del agua a través del medio granular se puede desprender esta materia, posibilitando la limpieza del medio filtrante (Kadlec y Knight, 1995).

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